Спутники и Интернет

Спутниковая связь и вещание до сих пор остаются одним из немногих практических применений космической технологии. Такие преимущества спутниковой связи, как небольшие затраты энергии на поддержание ИСЗ в заданной точке геостационарной орбиты (ГО), возможность использования сигнала неограниченным числом произвольно расположенных (в пределах зоны обслуживания) земных станций, независимость затрат на земную станцию от расстояния до источника сигнала, незначительное влияние атмосферы и географических особенностей окружающей местности на устойчивость связи, обусловили широкое развитие спутниковых средств связи и особенно телевизионного вещания во всем мире.

Рис. 1. Схема магистральной спутниковой связи

Достаточно сказать, что в Европе более половины семей смотрят ТВ программы из космоса, непосредственно или посредством кабельных сетей. Остается один шаг до использования этой инфраструктуры для широкого распространения мультимедийной информации.

Традиционная схема спутниковой связи, как она зародилась в 60-е годы на базе тогда еще несовершенных и маломощных ИСЗ, предполагает наличие двух или нескольких земных приемо-передающих станций с антеннами диаметром 12…30 м (рис. 1), обменивающихся большими потоками информации (магистральная связь). Наибольшего развития это направление достигло в 70-х и начале 80-х годов, когда доля спутникового трафика составляла 10 процентов от общего объема дальней трансконтинентальной связи и более 30 процентов трансатлантического трафика.

Рис. 2. Схема радиальной сети VSAT

С развитием волоконно-оптической техники, появлением недорогих оптических кабелей с предельно малым затуханием, обладающих к тому же пропускной способностью, в десятки раз превышающей показатели самых мощных спутников, сфера использования последних переместилась на уровень зоновой и ведомственной связи -- систем связи со сравнительно небольшим трафиком и большим числом абонентов, произвольным образом распределенных на значительной территории, когда строительство наземных линий оказывается неэффективным. Примером такого использования служат сети радиальной или смешанной структуры с одной центральной и большим числом малых земных станций (VSAT -- Very Small Aperture Terminal) (рис. 2). В мире функционирует, по некоторым оценкам, более 500 тысяч таких станций. В сетях VSAT осуществляется обмен информацией разного рода (телефония, передача данных, телеконференцсвязь) на скоростях от 32 кбит/с до 1,5…2 Мбит/с, широко применяются системы с динамическим перераспределением ресурса (предоставление каналов по требованию, подавление несущей в паузе речи и т.д.), благодаря чему они эффективно используют спутниковые емкости и оказываются экономически окупаемыми.

В области телевизионного вещания центр тяжести использования спутников также постепенно переместился с обмена телевизионными программами между вещательными организациями (Евровидение, мировая сеть обмена через спутники "Интелсат") к распределению программ на головные станции кабельных сетей и далее, к непосредственному телевизионному вещанию с приемом программ абонентами из космоса на небольшие антенны диаметром 60…80 см. Современные вещательные спутники обладают энергетическим потенциалом в 10 и более киловатт и обеспечивают одновременную трансляцию в цифровой форме более 100 телевизионных программ. Размещение в одной орбитальной позиции на ГО нескольких спутников, работающих в соседних участках спектра, позволило довести число одновременно передаваемых программ до 500 (группировки Hot Bird в точке 13 гр в.д., ASTRA в точке 19,2 гр в.д.).

Следующим заметным шагом в применении спутников стало использование спутниковых каналов в глобальной информационной сети Интернет. Широкому распространению спутниковых каналов на магистральных участках сети мешает сравнительно большая временная задержка сигнала на трассе через геостационарный спутник (суммарно более 250 мс), нарушающая работу многих сетевых протоколов. Однако на низовых участках (линии к местным Интернет-провайдерам и индивидуальным абонентам) удается обойти это затруднение, несколько ограничивая скорость передачи информации к каждому отдельному абоненту.

Рис. 3. Схема несимметричного спутникового доступа в Интернет

Первоначальная идея спутникового Интернет базировалась на несимметричности трафика – по статистике для индивидуального абонента трафик запросного канала "Абонент -- Сеть" составляет лишь 10…15 процентов от трафика информационного канала "Сеть -- Абонент", поэтому посылка запроса по обычным низкоскоростным наземным каналам (телефонная сеть общего пользования, сети передачи данных, ISDN) не занимает много времени, в то время как пересылка больших массивов данных к абоненту осуществляется по спутниковой радиолинии со скоростями значительно большими, чем удается достичь в наземных каналах. Сказанное иллюстрируется рис. 3.

Одним из первых реализованных проектов спутникового Интернет стал разработанный компанией Hughes Network Systems проект DirecPC, предоставлявший услуги по высокоскоростной передаче сигналов Интернет (Turbo Internet). Приобретя дополнительную приемную карту для персонального компьютера и подключив ее к антенне, направленной на спутник DBS1 в точке 101 гр з.д., абонент из США и Канады получает возможность, посылая запрос в Интернет с помощью модема со скоростью до 56 кбит/с, принимать затребованную информацию со спутника со скоростью до 400 кбит/с. В более поздних версиях практикуются также службы Package Delivery — доставка клиентам по заказу больших массивов информации (базы данных, каталоги, программное обеспечение) и Internet Broadcasting — вещание специального отобранного из Сети контента. Последняя услуга становится весьма популярной во многих системах как первый шаг к освоению Интернет абонентами, не имеющими персональных компьютеров. С помощью недорогих приставок передаваемые графические изображения могут быть выведены на экран ТВ приемника, при этом не нужен запросный канал и для трансляции пригодны обычные вещательные спутники.

В упомянутом выше варианте DirecPC в информационном канале используется не очень эффективный метод передачи сигналов на отдельных несущих в стволе спутникового ретранслятора, во всех более поздних системах (AstroNet, ZakNet,……) применяется технология передачи многих сигналов на одной несущей. Гибкость широко используемого стандарта цифровой компрессии ТВ сигналов MPEG-2 позволяет передавать данные Интернет в общем цифровом потоке со сжатыми ТВ сигналами, динамически перераспределяя при необходимости емкость транспондера между двумя службами.

Рис. 4. Схема доступа в Интернет с разнесенными спутниками для информационного и запросного каналов

Описанный метод комбинированного доступа в Интернет через спутники и наземную сеть оправдывает себя в случаях несимметричного трафика и хороших наземных каналов. Однако уже в случае корпоративного пользователя (например, локальной сети в офисе крупной компании) несимметричность трафика оказывается не столь значительной, и возникает потребность в высокоскоростной передаче информации в направлении "Абонент -- Сеть". Выравниванию трафика способствует также определившаяся тенденция к развитию интерактивных служб, в первую очередь мультимедиа-приложений, базирующихся на более активном вмешательстве получателя информации в процесс ее создания. Особенно актуальной задача построения высокоскоростного запросного канала становится в странах и на территориях, где наземная инфраструктура связи отсутствует или слабо развита (сюда можно отнести и некоторые регионы России восточнее Урала). Возможный путь решения — организация запросных каналов через спутник, для этого используются элементы хорошо разработанной технологии VSAT. В стандартной схеме (рис. 4) абонент принимает информацию с вещательного спутника ИСЗ 1 на антенну А1, а передает на связной спутник (спутник фиксированной спутниковой службы) ИСЗ 2, размещенный в общем случае в другой точке ГО и потому требующий отдельной антенны А2. По такой схеме, например, работает американская система DirecPC — Duo, причем функции А1 и А2 выполняет антенна с двумя облучателями. Число абонентов сети DirecPC — Duo невелико, так как станция VSAT все-таки пока довольно дорога для индивидуальных абонентов и доступна скорее корпоративным абонентам. Экономическая эффективность сети может быть существенно повышена, если несколько близкорасположенных абонентов будут использовать общую передающую станцию, передавая к ней свои сигналы по наземным соединительным линиям.

Более экономичное с точки зрения объема оборудования абонентской станции решение получается при использовании емкости на двух разных спутниках — вещательном и связном, размещенных в одной точке ГО. Для приема и передачи информации абонент может использовать одну антенну (рис. 5). Благодаря небольшому размеру приемо-передающей антенны в ее диаграмму направленности попадают оба спутника, хотя их угловой разнос может достигать 0,1…0,3о. Для России подходящей является точка 36о в.д., где одновременно работают вещательный ИСЗ "Бонум-1" и спутники фиксированной службы международной организации Eutelsat (скоро к ним должен присоединиться совместный российско-западноевропейский SESAT).

Как вариант, можно рассматривать организацию запросных каналов в свободном стволе того же вещательного спутника, который служит для доставки основной части информации. Будучи переведен в линейный режим снижением выходной мощности на 3…4 дБ, такой ствол по основным техническим характеристикам мало отличается от ствола на связном спутнике, но примерно вдвое дороже. Наиболее серьезное отличие — используемые диапазоны частот на линии вверх: 14,0…14,5 ГГц для спутников фиксированной спутниковой службы и 17,3…18,1 ГГц для спутников радиовещательной службы. Если в нижнем поддиапазоне для создания абонентского терминала могут использоваться хорошо освоенные и выпускаемые серийно трансиверы, диплексеры и антенны станций VSAT, то для верхнего поддиапазона выпускаются только единичные экземпляры сравнительно дорогих передатчиков для стационарных передающих станций спутникового вещания. Оценки показывают, что стоимость абонентского спутникового терминала диапазона 14 ГГц при заказе достаточно большой партии может составить 3…4 тыс. долларов США, в то время как терминал диапазона 17 ГГц обойдется сегодня в 12…15 тыс. долларов. Ситуация может меняться по мере освоения для передачи диапазона 17 ГГц.

Рис. 5. Схема доступа в Интернет с близкорасположенными спутниками

Укажем еще на одно обстоятельство, существенно затрудняющее развертывание в России сетей с малыми приемо-передающими станциями, в том числе и для Интернет. Речь идет о получении разрешений и регистрации станции в Госсвязьнадзоре. Действующая процедура регистрации чрезвычайно сложна, многоступенчата (более 20 этапов), дорогостояща и занимает длительное время. Парадоксальность ситуации еще и в том, что регистрация многоствольной передающей станции с антенной 9 м и передатчиком мощностью 500 Вт осуществляется почти по той же процедуре, что и одноканальной VSAT с метровой антенной и передатчиком 0,5 Вт. В результате затраты на регистрацию могут превысить стоимость самой станции в 2…4 раза. Если не будет принято соответствующее решение на самом высоком уровне, мы еще много лет не сможем эффективно использовать спутниковые обратные каналы. Определенные надежды появились после принятия недавнего постановления правительства об упрощении порядка пользования мобильными телефонами. Хотелось бы, чтобы движение в этом направлении было продолжено.

Большую пропускную способность -- до 2 Мбит/с для индивидуального абонента -- обещают своим будущим клиентам создатели высокоскоростной системы передачи данных Teledesic, базирующейся на 288 низкоорбитальных спутниках. Здесь ограничение по скорости снимается благодаря малой задержке сигнала. Однако ряд очевидных недостатков систем с низколетящими спутниками (большое требуемое число спутников, их быстрое угловое перемещение, ограниченность частотно-орбитального ресурса и т.п.), известные финансовые неудачи первых проектов заставили нас ограничить проведенное рассмотрение геостационарными ИСЗ.

Интересное техническое решение по созданию спутникового запросного канала для интерактивных систем предложили специалисты компании SES. Они разработали многофункциональный спутник ASTRA-1K с несколькими полезными нагрузками (запуск его в точку 19.2 гр в.д. намечен на 2000 год), предназначенными для расширения вещания на европейскую территорию, резервирования действующих спутников и других задач. Одна из полезных нагрузок работает в Ka-диапазоне (27…31 ГГц на линии вверх) и предназначена для организации запросных каналов Интернет с абонентских станций. Диаграмма направленности приемной антенны спутника сформирована в виде 16 узких лучей, в совокупности охватывающих территорию Европы (рис. 6). Достигаемая благодаря узким лучам высокая энергетическая добротность спутника позволит передавать цифровой сигнал с абонентской земной станции со скоростью 256 кбит/с при антенне диаметром 75 см и мощности передатчика всего 0,5 Вт. Два транспондера с шириной полосы 500 МГц ретранслируют сигналы в сторону приемной антенны, расположенной в техническом центре SES в Бетцдорфе, Люксембург. Абоненту достаточно иметь одну антенну, направленную на этот спутник, чтобы принимать информацию в диапазоне 12 ГГц и посылать запросы в диапазоне 27 ГГц (рис. 7). Передающее оборудование Ka-диапазона пока не выпускается массовыми тиражами и потому относительно дорого, но начинающийся бум освоения этого диапазона для сетей VSAT позволит в короткие сроки добиться существенного снижения стоимости трансивера и других СВЧ устройств.

Создание специализированного спутника типа ASTRA-1K экономически оправданно только при наличии большого числа абонентов и достаточно насыщенном суммарном трафике. На начальных этапах лучшие коммерческие результаты дают различные комбинации стволов вещательных и связных спутников, описанные выше. Тем не менее универсальный спутник, показанный на рис. 7, решает оптимальным образом задачи двухстороннего обмена информацией в наиболее распространенной схеме типа "звезда" и представляется наиболее перспективным для решения мультимедийных задач.

Рис. 6. Зона обслуживания спутника ASTRA-1K на линии вверх

Рис. 7. Схема доступа в Интернет с универсальным спутником ASTRA-1K

Телемультимедиа № 1 (1) февраль 2000